CN111947696B - 矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统 - Google Patents
矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统,包括激光器,激光器与耦合器连接,耦合器的两个输出端分别连接第一电光调制器、第二电光调制器的第一输入端,任意波形发生器的两个输出端分别连接第一电光调制器、第二电光调制器的第二输入端,第一电光调制器的输出端连接第一密集波分复用器的输入端,第一密集波分复用器的两个输出端分别通过第一偏振控制器、第二偏振控制器连接偏振合束器的输入端,偏振合束器的输出端连接传感光纤的第一端;第二电光调制器的输出端连接环形器的第一端,环形器的第二端连接传感光纤的第二端且第三端连接第二密集波分复用器的输入端,第二密集波分复用器的两个输出端分别连接第一光电探测器和第二光电探测器。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域,具体涉及一种矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统。
背景技术
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术可在长距离传感光纤上以较高的灵敏度和准确性对温度或应变进行分布式测量。这些系统具有诸如低成本,抗腐蚀,耐用性和抗电磁干扰性等优点,这使其成为用于电力线,桥梁以及石油和天然气管道等大型结构的在线监测工具。
其中布里渊光学时域分析系统是一项成熟的技术,其原理是探测光通过受激布里渊散射非线性效应与反向传播的泵浦脉冲光相互作用。通过逐步扫描布里渊频移附近的泵浦探测频率偏移,重建了被测光纤的布里渊频谱分布。快速的布里渊采集方法避免了费时的频率扫描和轨迹平均,因此也引起了广泛的研究兴趣。其中新型的基于光学啁啾链探测光的布里渊光学时域分析系统,通过光学啁啾链的瞬时布里渊响应对光纤的布里渊频移进行提取,具有动态探测性能好的优点。但是该系统仅利用了布里渊瞬态响应的强度部分,需要较多的数据平均才能进行信号解调,存在传感精度低,信号弱的缺点。
发明内容
本发明提供一种矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统,以解决目前进行光学布里渊时域分析时采集数据次数高、传感精度低且信号弱的问题。
根据本发明实施例的第一方面,提供一种矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统,包括激光器,该激光器的输出端与耦合器的输入端连接,该耦合器的第一输出端与第一电光调制器的第一输入端连接,该第一电光调制器的第二输入端与任意波形发生器的第一输出端连接且其输出端与第一密集波分复用器的输入端连接,该第一密集波分复用器的第一输出端和第二输出端分别通过第一偏振控制器、第二偏振控制器与偏振合束器的输入端连接,该偏振合束器的输出端连接传感光纤的第一端;
该耦合器的第二输出端与第二电光调制器的第一输入端连接,该第二电光调制器的第二输入端与该任意波形发生器的第二输出端连接且其输出端与环形器的第一端连接,该环形器的第二端连接该传感光纤的第二端且其第三端连接第二密集波分复用器的输入端,该第二密集波分复用器的第一输出端和第二输出端分别连接第一光电探测器和第二光电探测器;
所述激光器输出的激光被所述耦合器分成两路激光,其中一路激光在所述第一电光调制器的调制下产生两个边带,所述两个边带被该第一密集波分复用器分成上边带和下边带,所述第一偏振控制器和第二偏振控制器分别对上边带和下边带进行偏振控制,以使上边带和下边带的偏振态正交,偏振态正交的上边带和下边带经该偏振合束器合束后传输给该传感光纤的第一端,其中该上边带和下边带中均包括啁啾链和参考光;
另一路激光被所述第二电光调制器调制成脉冲光信号,该脉冲光信号通过该环形器被传输给该传感光纤的第二端,在该传感光纤中上边带和下边带中的啁啾链分别与该脉冲光信号发生受激布里渊散射,分别产生上边带的探测光和下边带的探测光,该上边带中的探测光和参考光、以及该下边带的探测光和参考光通过该环形器被传输给第二密集波分复用器,该第二密集波分复用器将该上边带中的探测光和参考光、以及该下边带的探测光和参考光分别输出,由该第一光电探测器对该上边带中的探测光和参考光进行拍频,获得第一拍频信号,由第二光电探测器对该下边带中的探测光和参考光进行拍频,获得第二拍频信号;对该第一拍频信号和第二拍频信号进行数字相干解调,分别获得上边带和下边带中探测光的幅相信息,处理器将上边带的幅相信息与下边带的幅相信息相减,消除啁啾链与脉冲光信号偏振变化引起的偏振衰落现象,获得无偏振衰减的探测光幅相信息,基于该无偏振衰减的探测光幅相信息,进行矢量光学布里渊时域分析。
在一种可选的实现方式中,在该偏振合束器的输出端与该传感器的第一端之间还设置有隔离器。
在另一种可选的实现方式中,在该第二电光调制器的输出端与该环形器的第一端之间还设置有光放大器。
在另一种可选的实现方式中,所述任意波形发生器输出的波形满足:
其中,V0是输出信号的幅值,T为一个啁啾脉冲的宽度,K啁啾脉冲的啁啾率,fb为光纤的布里渊频移,fR为参考光与探测光之间的频差,t表示时间。
在另一种可选的实现方式中,所述第一电光调制器输出的光场表示为:
其中,E0是电光调制器输入光场的复振幅,fc为光载波的频率,T为一个啁啾脉冲的宽度,K啁啾脉冲的啁啾率,fb为光纤的布里渊频移,fR为参考光与探测光之间的频差,t表示时间。
在另一种可选的实现方式中,基于该无偏振衰减的探测光幅相信息,进行矢量光学布里渊时域分析时,按照以下步骤进行:
在另一种可选的实现方式中,所述步骤S120包括:
步骤S121、通过数值仿真方法改变光纤布里渊中心频移,获得不同的矢量布里渊谱,将不同的矢量布里渊谱组成M×N的参考矩阵XM×N,其中M为布里渊中心频移个数,N为一个矢量布里渊谱的数据点数;
步骤S124、对CN×N进行特征分解:
其中ΛN×N=diag(λ1,...,λN)为实数对角阵,包含了由大到小的特征值λj;UN×N为复数方针,其列向量uj为特征值λj的特征向量,又叫做参考矩阵的主成分,λj代表了主成分uj的能量;
步骤S124、将前j个主成分的积累能量定义为:
选择远小于N的数字L,使得其积累能量gL大于设定阈值α;
步骤S125、将复数方阵UN×N的前L列组成复数转换矩阵WN×L;
步骤S127、为了获得待测的矢量布里渊谱向量y的布里渊频移,对分数向量z分别和向量si求复数向量空间欧氏距离:
其中||z-si||2为z-si的欧式范数;
步骤S128、将欧式距离最小的第m个分数向量sm对应的布里渊中心频移作为待测矢量布里渊谱向量的布里渊频移。
本发明的有益效果是:
1、本发明不仅可以解调得到布里渊增益谱,还可以得到布里渊相移谱,实现了矢量布里渊分布式传感;本发明使用相干探测的结构,有效调高了信噪比,提高了系统传感精度;本发明同时使用布里渊增益谱和相移谱,进一步提高了系统的传感精度;本发明采用了偏振分集技术,有效消除系统中的偏振衰落现象,提高了系统的传感速度;本发明采用大带宽的光学啁啾链,具有更高的光学非线性阈值,因此啁啾链和脉冲光信号的能量更高,提高了信噪比,同时系统具有更大的动态应变响应范围;
2、本发明提出了复数主成分分析方法对测得的矢量布里渊谱进行布里渊频移解调,可以大幅提高光学啁啾链布里渊光时域分析系统的传感精度。
附图说明
图1是本发明矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统的一个实施例结构示意图;
图2是本发明工作原理图;
图3是幅度和相移迹线示意图,其中图3(a)中两条曲线分别表示上下边带的幅度解调迹线,图3(b)中两条曲线分别表示上下边带的相移解调迹线;图3(c)表示上下边带的幅度解调迹线相减后的幅度迹线,图3(d)表示上下边带的相移解调迹线相减后的相移迹线;
图4是矢量布里渊的幅度响应谱和相移响应谱;
图5是本发明矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统的另一实施例结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案,并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中,除非另有规定和限定,需要说明的是,术语“连接”应做广义理解,例如,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1所示,为本发明矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统的一个实施例结构示意图。该矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统可以包括激光器,该激光器的输出端与耦合器的输入端连接,该耦合器的第一输出端与第一电光调制器的第一输入端连接,该第一电光调制器的第二输入端与任意波形发生器的第一输出端连接且其输出端与第一密集波分复用器的输入端连接,该第一密集波分复用器的第一输出端和第二输出端分别通过第一偏振控制器、第二偏振控制器与偏振合束器的输入端连接,该偏振合束器的输出端连接传感光纤的第一端;该耦合器的第二输出端与第二电光调制器的第一输入端连接,该第二电光调制器的第二输入端与该任意波形发生器的第二输出端连接且其输出端与环形器的第一端连接,该环形器的第二端连接该传感光纤的第二端且其第三端连接第二密集波分复用器的输入端,该第二密集波分复用器的第一输出端和第二输出端分别连接第一光电探测器和第二光电探测器。
所述激光器输出的激光被所述耦合器分成两路,其中一路激光在所述第一电光调制器的调制下产生两个边带,所述两个边带被该第一密集波分复用器分成上边带和下边带,所述第一偏振控制器和第二偏振控制器分别对上边带和下边带进行偏振控制,以使上边带和下边带的偏振态正交,偏振态正交的上边带和下边带经该偏振合束器合束后传输给该传感光纤的第一端,其中该上边带和下边带中均包括啁啾链和参考光;另一路激光被所述第二电光调制器调制成脉冲光信号,该脉冲光信号通过该环形器被传输给该传感光纤的第二端,在该传感光纤中上边带和下边带中的啁啾链分别与该脉冲光信号发生受激布里渊散射,分别产生上边带的探测光和下边带的探测光,该上边带中的探测光和参考光、以及该下边带的探测光和参考光通过该环形器被传输给第二密集波分复用器,该第二密集波分复用器将该上边带中的探测光和参考光、以及该下边带的探测光和参考光分别输出,由该第一光电探测器对该上边带中的探测光和参考光进行拍频,获得第一拍频信号,由第二光电探测器对该下边带中的探测光和参考光进行拍频,获得第二拍频信号;对该第一拍频信号和第二拍频信号进行数字相干解调,分别获得上边带和下边带中探测光的幅相信息,处理器将上边带的幅相信息与下边带的幅相信息相减,消除啁啾链与脉冲光信号偏振变化引起的偏振衰落现象,获得无偏振衰减的探测光幅相信息,基于该无偏振衰减的探测光幅相信息,进行矢量光学布里渊时域分析。
本实施例中,该激光器可以为窄线宽激光器,例如分布反馈半导体激光器,为了形成基于相干探测的光学啁啾链布里渊光时域分析系统,所述任意波形发生器输出的波形满足:
其中,V0是输出信号的幅值,T为一个啁啾脉冲的宽度,K啁啾脉冲的啁啾率,fb为光纤的布里渊频移,fR为参考光与探测光之间的频差,t表示时间。将啁啾脉冲首尾相接即可组成啁啾脉冲链。由于本发明采用的是双边带调制,因此所述第一电光调制器输出的光场表示为:
其中,E0是电光调制器输入光场的复振幅,fc为光载波的频率,T为一个啁啾脉冲的宽度,K啁啾脉冲的啁啾率,fb为光纤的布里渊频移,fR为参考光与探测光之间的频差,t表示时间。假设调制电压很小,则只有一阶边带保留,高阶边带可以忽略,如图2所示,本发明只存在一阶边带。为了消除单模光纤中的偏振衰落现象,本发明采用偏振分集技术,通过第一密集波分复用器将上边带和下边带分别传输给第一偏振控制器和第二偏振控制器进行偏振控制,使得上边带和下边带的偏振态正交,偏振态正交的上边带和下边带被传输至传感光纤后,上边带中的啁啾链与脉冲光信号发生受激布里渊散射,在此过程中上边带的啁啾链产生损耗,下边带中的啁啾链与脉冲光信号也发生受激布里渊散射,但在此过程中下边带的啁啾链产生增益,结合图2所示。在该传感光纤中上边带和下边带中的啁啾链分别与该脉冲光信号发生受激布里渊散射,分别产生上边带的探测光和下边带的探测光,该第一光电探测器对该上边带中的探测光和参考光进行拍频,获得第一拍频信号,对该第一拍频信号和第二拍频信号进行数字相干解调,获得上边带和下边带的幅度解调迹线,如图3(a)所示,以及上边带和下边带的相移解调迹线,如图3(b)所示,将上边带和下边带的幅度解调迹线相减,得到无偏振衰减的幅度迹线,如图3(c)所示,将上边带和下边带的相移解调迹线相减,得到无偏振衰减的相移迹线,如图3(d)所示。
其中,本发明基于该无偏振衰减的探测光幅相信息,进行矢量光学布里渊时域分析时,可以按照以下步骤进行:
步骤S110、将该无偏振衰减的探测光幅相信息转换为矢量布里渊谱 其中A(f)表示该传感光纤上每段光纤的布里渊幅度谱,表示该传感光纤上每段光纤的布里渊相移谱。其中,根据啁啾链时间和瞬时频率的对应关系,可以将无偏振衰减的探测光幅度和相移响应时域迹线变换为矢量布里渊时域分析的布里渊幅度和相移迹线,如图4所示,其中图4(a)是布里渊幅度响应谱,图4(b)是布里渊相移响应谱。
步骤S121、通过数值仿真方法改变光纤布里渊中心频移,获得不同的矢量布里渊谱,将不同的矢量布里渊谱组成M×N的参考矩阵XM×N,其中M为布里渊中心频移个数,N为一个矢量布里渊谱的数据点数;
步骤S124、对CN×N进行特征分解:
其中ΛN×N=diag(λ1,...,λN)为实数对角阵,包含了由大到小的特征值λj;UN×N为复数方针,其列向量uj为特征值λj的特征向量,又叫做参考矩阵的主成分,λj代表了主成分uj的能量;
步骤S124、将前j个主成分的积累能量定义为:
选择远小于N的数字L,使得其积累能量gL大于设定阈值α;
步骤S125、将复数方阵UN×N的前L列组成复数转换矩阵WN×L;
步骤S127、为了获得待测的矢量布里渊谱向量y的布里渊频移,对分数向量z分别和向量si求复数向量空间欧氏距离:
其中||z-si||2为z-si的欧式范数;
步骤S128、将欧式距离最小的第m个分数向量sm对应的布里渊中心频移作为待测矢量布里渊谱向量的布里渊频移。本发明采用复数主成分分析方法,可以获得待测传感光纤的布里渊频移随距离的分布曲线,完成矢量啁啾时域分析系统的解调。
由上述实施例可见,本发明不仅可以解调得到布里渊增益谱,还可以得到布里渊相移谱,实现了矢量布里渊分布式传感;本发明使用相干探测的结构,有效调高了信噪比,提高了系统传感精度;本发明同时使用布里渊增益谱和相移谱,进一步提高了系统的传感精度;本发明采用了偏振分集技术,有效消除系统中的偏振衰落现象,提高了系统的传感速度;本发明采用大带宽的光学啁啾链,具有更高的光学非线性阈值,因此啁啾链和脉冲光信号的能量更高,提高了信噪比。此外,本发明提出了复数主成分分析方法对测得的矢量布里渊谱进行布里渊频移解调,可以大幅提高光学啁啾链布里渊光时域分析系统的传感精度和动态响应能力。
参见图5,为本发明矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统的另一实施例结构示意图。图5与图1所示矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统的区别在于,在该偏振合束器的输出端与该传感器的第一端之间还设置有隔离器,在该第二电光调制器的输出端与该环形器的第一端之间还设置有光放大器,该光放大器对第二电光调制器输出的脉冲光信号进行放大。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是,本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。
Claims (7)
1.一种矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统,其特征在于,包括激光器,该激光器的输出端与耦合器的输入端连接,该耦合器的第一输出端与第一电光调制器的第一输入端连接,该第一电光调制器的第二输入端与任意波形发生器的第一输出端连接且其输出端与第一密集波分复用器的输入端连接,该第一密集波分复用器的第一输出端和第二输出端分别通过第一偏振控制器、第二偏振控制器与偏振合束器的输入端连接,该偏振合束器的输出端连接传感光纤的第一端;
该耦合器的第二输出端与第二电光调制器的第一输入端连接,该第二电光调制器的第二输入端与该任意波形发生器的第二输出端连接且其输出端与环形器的第一端连接,该环形器的第二端连接该传感光纤的第二端且其第三端连接第二密集波分复用器的输入端,该第二密集波分复用器的第一输出端和第二输出端分别连接第一光电探测器和第二光电探测器;
所述激光器输出的激光被所述耦合器分成两路激光,其中一路激光在所述第一电光调制器的调制下产生两个边带,所述两个边带被该第一密集波分复用器分成上边带和下边带,所述第一偏振控制器和第二偏振控制器分别对上边带和下边带进行偏振控制,以使上边带和下边带的偏振态正交,偏振态正交的上边带和下边带经该偏振合束器合束后传输给该传感光纤的第一端,其中该上边带和下边带中均包括啁啾链和参考光;
另一路激光被所述第二电光调制器调制成脉冲光信号,该脉冲光信号通过该环形器被传输给该传感光纤的第二端,在该传感光纤中上边带和下边带中的啁啾链分别与该脉冲光信号发生受激布里渊散射,分别产生上边带的探测光和下边带的探测光,该上边带中的探测光和参考光、以及该下边带的探测光和参考光通过该环形器被传输给第二密集波分复用器,该第二密集波分复用器将该上边带中的探测光和参考光、以及该下边带的探测光和参考光分别输出,由该第一光电探测器对该上边带中的探测光和参考光进行拍频,获得第一拍频信号,由第二光电探测器对该下边带中的探测光和参考光进行拍频,获得第二拍频信号;对该第一拍频信号和第二拍频信号进行数字相干解调,分别获得上边带和下边带中探测光的幅相信息,处理器将上边带的幅相信息与下边带的幅相信息相减,消除啁啾链与脉冲光信号偏振变化引起的偏振衰落现象,获得无偏振衰减的探测光幅相信息,基于该无偏振衰减的探测光幅相信息,进行矢量光学布里渊时域分析。
2.根据权利要求1所述的矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统,其特征在于,在该偏振合束器的输出端与该传感光纤的第一端之间还设置有隔离器。
3.根据权利要求1或2所述的矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统,其特征在于,在该第二电光调制器的输出端与该环形器的第一端之间还设置有光放大器。
7.根据权利要求6所述的矢量光学啁啾链布里渊时域分析系统,其特征在于,所述步骤S120包括:
步骤S121、通过数值仿真方法改变光纤布里渊中心频移,获得不同的矢量布里渊谱,将不同的矢量布里渊谱组成M×N的参考矩阵XM×N,其中M为布里渊中心频移个数,N为一个矢量布里渊谱的数据点数;
步骤S124、对CN×N进行特征分解:
其中ΛN×N=diag(λ1,...,λN)为实数对角阵,包含了由大到小的特征值λj;UN×N为复数方阵 ,其列向量uj为特征值λj的特征向量,又叫做参考矩阵的主成分,λj代表了主成分uj的能量;
步骤S124、将前j个主成分的积累能量定义为:
选择远小于N的数字L,使得其积累能量gL大于设定阈值α;
步骤S125、将复数方阵UN×N的前L列组成复数转换矩阵WN×L;
步骤S127、为了获得待测的矢量布里渊谱向量y的布里渊频移,对分数向量z分别和向量si求复数向量空间欧氏距离:
其中||z-si||2为z-si的欧式范数;
步骤S128、将欧式距离最小的第m个分数向量sm对应的布里渊中心频移作为待测矢量布里渊谱向量的布里渊频移。
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